專利名稱：基于初始基準(zhǔn)態(tài)的正高斯曲率索網(wǎng)形控結(jié)構(gòu)設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于土木、儀器和機(jī)械等工程中索結(jié)構(gòu)的設(shè)計和分析領(lǐng)域，涉及一種針對采用正高斯曲率索網(wǎng)的主動形控結(jié)構(gòu)，基于初始基準(zhǔn)態(tài)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的方法。
背景技術(shù)：
拉索一般僅具有抗拉剛度，不具備抗壓和抗彎剛度，因此由拉索構(gòu)成的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)需要通過張拉等方式引入初始預(yù)張力，預(yù)先儲備足夠的預(yù)拉應(yīng)力，從而保證工作使用中拉索始終處于受拉狀態(tài)。因此，確定拉索的初始預(yù)張力是索網(wǎng)結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要內(nèi)容之一。具有正高斯曲率的面索網(wǎng)，無法形成預(yù)張力自平衡的結(jié)構(gòu)。而在面索網(wǎng)的外側(cè)設(shè)置徑向索后，面索網(wǎng)和徑向索可構(gòu)成預(yù)張力自平衡的正高斯曲率索網(wǎng)結(jié)構(gòu)。另外，在工作使用中可通過促動器或千斤頂?shù)仍O(shè)備調(diào)控徑向索的長度，促使面索網(wǎng)形成不同的曲面，從而實現(xiàn)正高斯曲率索網(wǎng)形控結(jié)構(gòu)。 在工作使用中，載控結(jié)構(gòu)是在荷載(如自重、溫變、風(fēng)載和雪載等)作用下被動發(fā)生位形變化而達(dá)到新的平衡狀態(tài)；而形控結(jié)構(gòu)為滿足工作時的特定位形，不僅經(jīng)受荷載作用，還在調(diào)控機(jī)構(gòu)的作用下主動變位至預(yù)設(shè)的目標(biāo)位形并引起內(nèi)力變化。因此，形控結(jié)構(gòu)的內(nèi)力變化來自于兩方面荷載變化和主動變位。形控結(jié)構(gòu)的基準(zhǔn)態(tài)為預(yù)備工作前的初始形態(tài)，而工作態(tài)為發(fā)生主動變位的工作狀態(tài)。兩者的位形都是預(yù)定的工作條件，因此主動變位引起的材料應(yīng)變也是預(yù)定的，而應(yīng)力和內(nèi)力的變化則還與材料的彈性模量和構(gòu)件的截面特性相關(guān)。借鑒常規(guī)載控結(jié)構(gòu)，進(jìn)行正高斯曲率索網(wǎng)主動形控結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本思路為I)設(shè)定已知條件，包括索網(wǎng)的幾何拓?fù)潢P(guān)系、拉索材料特性、荷載條件、邊界約束條件、基準(zhǔn)態(tài)和工作態(tài)的結(jié)構(gòu)位形條件、拉索的容許應(yīng)變和調(diào)控機(jī)構(gòu)的容許載荷、拉索備選規(guī)格等。2)初設(shè)拉索的規(guī)格和初始預(yù)張力。3)工況分析，包括初始基準(zhǔn)態(tài)和多個工作態(tài)。4)拉索和調(diào)控機(jī)構(gòu)的承載力驗算。5)若承載力不滿足要求，則調(diào)整拉索的截面規(guī)格和初始預(yù)張力。6)重復(fù)3)至5)，直至迭代滿足收斂標(biāo)準(zhǔn)。采用常規(guī)載控結(jié)構(gòu)的設(shè)計思路進(jìn)行索網(wǎng)形控結(jié)構(gòu)的設(shè)計，著重于工況分析，盡管思路簡單，但由于形控結(jié)構(gòu)的工作態(tài)工況過多，導(dǎo)致設(shè)計效率低，未能充分體現(xiàn)形控結(jié)構(gòu)的工作特點(diǎn)。正高斯曲率索網(wǎng)形控結(jié)構(gòu)包括面索網(wǎng)和徑向索，通過主動調(diào)控徑向索的長度，實現(xiàn)面索網(wǎng)曲面主動變位至不同的工作態(tài)位形。根據(jù)功能要求，索網(wǎng)形控結(jié)構(gòu)的基準(zhǔn)態(tài)和工作態(tài)的位形是確定的，因此從基準(zhǔn)態(tài)主動變位至工作態(tài)產(chǎn)生的形變也是確定的，即主動變位產(chǎn)生的應(yīng)變是定值，與材料的力學(xué)特性、構(gòu)件的截面特性以及外載荷無關(guān)。在主動變位工作中，索網(wǎng)還會遇到溫變、風(fēng)載和雪載等荷載變化。當(dāng)遇到大風(fēng)或大雪等惡劣荷載條件時，索網(wǎng)形控結(jié)構(gòu)應(yīng)停止主動變位工作，但在一定的允許溫差范圍內(nèi)應(yīng)能正常主動變位工作，因此主動變位工作中產(chǎn)生的應(yīng)變包括了應(yīng)力應(yīng)變增量和溫度應(yīng)變。當(dāng)溫變載荷和材料線膨脹系數(shù)一定時，拉索中的溫度應(yīng)變也是定值。因此，通過預(yù)先分析基準(zhǔn)態(tài)和工作態(tài)在位形和溫度方面的差異，掌握主動變位和溫度變化引起的應(yīng)變，則可基于初始基準(zhǔn)態(tài)(單個工況)進(jìn)行索網(wǎng)形控結(jié)構(gòu)設(shè)計，而無需進(jìn)行工作態(tài)(多個工況)的反復(fù)分析，這顯然提高了索網(wǎng)形控結(jié)構(gòu)的設(shè)計效率，但增加了初始基準(zhǔn)態(tài)的分析難度。正高斯曲率索網(wǎng)主動形控結(jié)構(gòu)的初始基準(zhǔn)態(tài)優(yōu)化設(shè)計，主要技術(shù)難點(diǎn)為①如何合理地限定面索初應(yīng)變范圍和設(shè)定徑向索初張力；②如何基于初始基準(zhǔn)態(tài)的位形，尋求與徑向索初張力和自重載荷相平衡的面索初張力；③面索網(wǎng)一般由拉索和連接件通過銷軸連接而成，而拉索由索體和索頭兩部分構(gòu)成，因此實際結(jié)構(gòu)中拉索的彈性模量受到索體的長度和彈性模量、索頭的長度和剛度、連接件尺寸的影響，這如何在線單元分析模型中予以考慮如何根據(jù)面索的初張力及初應(yīng)變限定范圍，優(yōu)選拉索截面規(guī)格。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題本發(fā)明的目的是針對采用正高斯曲率索網(wǎng)的主動變位形控結(jié)構(gòu)，提供一種可提高設(shè)計效率、提高面索應(yīng)變能儲備和索網(wǎng)變位恢復(fù)能力、提高徑向索索力和面索初應(yīng)變的均勻性、減輕拉索重量的基于初始基準(zhǔn)態(tài)的正高斯曲率索網(wǎng)形控結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。技術(shù)方案主動變位工作時面索總應(yīng)變ε a等于初始基準(zhǔn)態(tài)的初應(yīng)變ε ^和工作時的主動變位應(yīng)變ε d，即ε a= ε Cl+ ε d。由于在一定的允許溫差范圍內(nèi)索網(wǎng)形控結(jié)構(gòu)應(yīng)能正常主動變位工作，因此主動變位應(yīng)變ed包括了應(yīng)力應(yīng)變增量Λ h和溫度應(yīng)變ετ，即ed=A εβ+ετο因此，主動變位工作時面索總應(yīng)力應(yīng)變ε e= ε。+Λ ε e= ε。+ ε d- ε τ。在基準(zhǔn)態(tài)和某個工作態(tài)之間變位時，面索的主動變位應(yīng)變ε d是定值，這與荷載、面索的規(guī)格和彈性模量等無關(guān)。在拉索材料的溫度膨脹系數(shù)一定時，溫度應(yīng)變ε τ也僅與溫度變化和材料線膨脹系數(shù)有關(guān)?；诔跏蓟鶞?zhǔn)態(tài)的正高斯曲率索網(wǎng)主動形控結(jié)構(gòu)設(shè)計思路為根據(jù)面索的主動變位應(yīng)變和溫度應(yīng)變及容許應(yīng)變，確定初始基準(zhǔn)態(tài)的面索初應(yīng)變允許范圍；根據(jù)徑向索調(diào)控允許載荷范圍，確定初始基準(zhǔn)態(tài)的徑向索初張力；基于初始基準(zhǔn)態(tài)的位形，進(jìn)行面索初張力的找力分析，尋求與徑向索初張力和自重載荷滿足靜力平衡條件的面索初張力；根據(jù)面索的初應(yīng)變允許范圍、初張力及彈性模量，以減輕拉索重量為原則優(yōu)化面索截面規(guī)格。本發(fā)明基于初始基準(zhǔn)態(tài)的正高斯曲率索網(wǎng)形控結(jié)構(gòu)設(shè)計方法包含以下步驟I)分析準(zhǔn)備并建立有限元分析模型 首先確定索網(wǎng)幾何拓?fù)潢P(guān)系、拉索材料特性、荷載條件、邊界約束條件、初始基準(zhǔn)態(tài)結(jié)構(gòu)位形、工作態(tài)結(jié)構(gòu)位形、拉索的容許應(yīng)變[ε ]、調(diào)控機(jī)構(gòu)的容許載荷上限[Fju]和下限[FjJ、拉索備選規(guī)格和工作允許溫變AT ;然后根據(jù)所述索網(wǎng)幾何拓?fù)潢P(guān)系、拉索材料特性、荷載條件、邊界約束條件、初始基準(zhǔn)態(tài)結(jié)構(gòu)位形在有限元分析軟件中建立有限元分析模型；2)確定溫變載荷AT引起的面索溫度應(yīng)變ε τ : ε τ=ΛΤΧ α，其中α為拉索線溫度膨脹系數(shù)；同時，在有限元分析軟件中，將初始基準(zhǔn)態(tài)結(jié)構(gòu)位形和工作態(tài)結(jié)構(gòu)位形進(jìn)行對比，從而確定主動變位引起的面索應(yīng)變％的上限值Sdu和下限值ε&;同時，根據(jù)拉索備選規(guī)格，選擇最小截面規(guī)格的索體截面積作為面索的索體截面積初始值3)確定初始基準(zhǔn)態(tài)的面索初應(yīng)變ε ^的上限[ε ου]和下限[ε 0L]:首先計算初始基準(zhǔn)態(tài)的面索初應(yīng)變ε。的最大允許范圍為-ε dI+ ε τ〈 ε /[ ε ] - ε du- ε τ,然后在此范圍內(nèi)選取[ε ου]和[ε ，gp ε dL+ ε τ〈 [ ε 彡 ε Q 彡[ε ου] < [ ε ] - ε du- ε τ ；同時，確定初始基準(zhǔn)態(tài)的徑向索初張力P1 :取調(diào)控機(jī)構(gòu)的容許載荷上限[Fju]和下限[F:J的平均值；4)確定面索網(wǎng)綜合彈性模量，然后在有限元分析模型中，根據(jù)荷載條件施加自重載荷，所述自重載荷包括索體、索頭、連接件和附屬物的重量，其中，j為迭代次數(shù)，其初值為O :所述確定面索網(wǎng)綜合彈性模量五^的方法為首先，根據(jù)下式計算各面索的折算彈性模量；

權(quán)利要求
1.一種基于初始基準(zhǔn)態(tài)的正高斯曲率索網(wǎng)形控結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，其特征在于，該方法包含以下步驟 1)分析準(zhǔn)備并建立有限元分析模型 首先確定索網(wǎng)幾何拓?fù)潢P(guān)系、拉索材料特性、荷載條件、邊界約束條件、初始基準(zhǔn)態(tài)結(jié)構(gòu)位形、工作態(tài)結(jié)構(gòu)位形、拉索的容許應(yīng)變[ε ]、調(diào)控機(jī)構(gòu)的容許載荷上限[Fm]和下限[FJ、拉索備選規(guī)格和工作允許溫變AT; 然后根據(jù)所述索網(wǎng)幾何拓?fù)潢P(guān)系、拉索材料特性、荷載條件、邊界約束條件、初始基準(zhǔn)態(tài)結(jié)構(gòu)位形在有限元分析軟件中建立有限元分析模型； 2)確定溫變載荷AT引起的面索溫度應(yīng)變ετ : ε τ=ΛΤΧ α，其中α為拉索線溫度膨脹系數(shù)； 同時，在有限元分析軟件中，將初始基準(zhǔn)態(tài)結(jié)構(gòu)位形和工作態(tài)結(jié)構(gòu)位形進(jìn)行對比，從而確定主動變位引起的面索應(yīng)變的上限值edu和下限值ε&; 同時，根據(jù)拉索備選規(guī)格，選擇最小截面規(guī)格的索體截面積作為面索的索體截面積初始值4°); 3)確定初始基準(zhǔn)態(tài)的面索初應(yīng)變ε^的上限[ε ου!和下限[ε cJ :首先計算初始基準(zhǔn)態(tài)的面索初應(yīng)變ε。的最大允許范圍為-ε dI+ ε τ〈 ε /[ ε ] - ε du- ε τ,然后在此范圍內(nèi)選取[ε ου]和[ε 0L]，即ε dL+ ε τ〈 [ ε 0J ( ε 彡[ε ου] < [ ε ] - ε du- ε τ ； 同時，確定初始基準(zhǔn)態(tài)的徑向索初張力Pp取調(diào)控機(jī)構(gòu)的容許載荷上限[Fju]和下限[Fjl]的平均值； 4)確定面索網(wǎng)綜合彈性模量民^，然后在有限元分析模型中，根據(jù)荷載條件施加自重載荷，所述自重載荷包括索體、索頭、連接件和附屬物的重量，其中，j為迭代次數(shù)，其初值為O :所述確定面索網(wǎng)綜合彈性模量的方法為 首先，根據(jù)下式計算各面索的折算彈性模量； / f P(J) __Z_s_ Lfn _ f( ( .、\1\ (L(￡)xphxg)44Λ EhGh b KJ 其中，Gh、P h為索頭的重量、密度；g為重力加速度;4J、為第j次迭代的索體鋼絲截面積；Eb為索體彈性模量；Eh為索頭彈性模量·Α 、為與4°對應(yīng)的第j次迭代的實際索頭長度、實際索體長度s為分析模型中索單元的長度； 然后根據(jù)下式計算各面索折算彈性模量的加權(quán)平均值，作為面索網(wǎng)綜合彈性模量; Σ^χ '11 rCi) 二 _ x^mO —η Σ圯 仁I 其中，i為面網(wǎng)索的第i根拉索；n為面網(wǎng)索的拉索總根數(shù)； 5)采用小彈模迭代方法進(jìn)行面索初張力的找力分析，即基于初始基準(zhǔn)態(tài)的位形，尋求與初始基準(zhǔn)態(tài)的徑向索初張力P1和自重載荷滿足靜力平衡條件的面索初張力〃，具體步驟為51)在有限元分析模型中，設(shè)定主動調(diào)控徑向索的彈性模量為虛擬的小值E'J；給徑向索施加已確定的徑向索初張力P1和自重載荷；確定面索初張力的迭代初值為 面索初張力迭代收斂誤差RrJ ; 52)對有限元分析模型進(jìn)行靜力求解，得到面索網(wǎng)的索力，k為迭代次數(shù)，其初值為O ; pU>k) _ pU,k) 53)若MM < [ Λ ]，則停止迭代，將作為面索初張力.否貝U，令 = ，并更新面索初張力，即用Cu替換杈”，回到52)； 6)確定面索初應(yīng)變4'04J) = Pm I (4J) X ; 7)判斷是否滿足是則停止迭代，并最終確定面索的索體鋼絲截面積為、面索初張力i5 =P^p、面索網(wǎng)綜合彈性模量否則，選取滿足4沖^枚)/([%,] 的最小截面規(guī)格來更新面索截面規(guī)格，回到步驟4)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種針對采用正高斯曲率索網(wǎng)的主動形控結(jié)構(gòu)，主動變位工作時面索總應(yīng)變εa等于初始基準(zhǔn)態(tài)的初應(yīng)變ε0和工作時的主動變位應(yīng)變εd，即εa=εO+εd。由于在一定的允許溫差范圍內(nèi)索網(wǎng)形控結(jié)構(gòu)應(yīng)能正常主動變位工作，因此主動變位應(yīng)變εd包括了應(yīng)力應(yīng)變增量Δεe和溫度應(yīng)變εT，即εd=Δεe+εT。因此，主動變位工作時面索總應(yīng)力應(yīng)變εe=ε0+Δεe=εO+εd-εT。在基準(zhǔn)態(tài)和某個工作態(tài)之間變位時，面索的主動變位應(yīng)變εd是定值，這與荷載、面索的規(guī)格和彈性模量等無關(guān)。本發(fā)明是一種基于初始基準(zhǔn)態(tài)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的方法，快速優(yōu)化初始基準(zhǔn)態(tài)的拉索初始預(yù)張力，確定拉索規(guī)格，滿足主動變位工作態(tài)的性能要求。
文檔編號G06F17/50GK102841968SQ201210338349
公開日2012年12月26日 申請日期2012年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月13日
發(fā)明者羅斌, 郭正興, 王凱 申請人:東南大學(xué)